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1、精选优质文档-倾情为你奉上汽车空调风机无刷直流双模糊PI调节的无级调速系统摘要：通过对汽车空调风机的无级调速系统仿真结果的分析，表明模糊PI控制优于传统的PI控制，证明了该无级调速系统仿真模型的正确性。得出了调速系统方案是可行的结论。关键词：汽车空调风机；无刷直流；模糊PI；无级调速中图分类号：TP273+.4 文献标识码:B文章编号：1006-8155（2008）02-0054-07The Stepless Speed Regulating System Adjusted by Double Fuzzy PI with Brushless Direct Current and Used in
2、 Automotive Air-conditioning FansAbstract: The analysis on the simulation results in stepless speed regulating system of automotive air-conditioning fan shows that the fuzzy PI control is better than the conventional PI control. The accuracy of simulation model of the stepless speed regulating syste
3、m is demonstrated. The conclusion is that this speed regulating system scheme is feasible.Key words: automotive air-conditioning fan; brushless direct current; fuzzy PI; stepless speed regulating专心-专注-专业0 引言收稿日期：2007-07-13 珠海市 当前的汽车空调风机大多还是采用有刷直流电动机进行调速的。虽然有刷直流电动机具有运行效率高和调速性能好等优点，但由于它存在许多固有的缺陷：采用电刷和
4、换向器等机械的方法进行换向，寿命短、噪声大、维护困难、成本高以及容易引起火灾等安全隐患，故限制了它的进一步发展。而采用异步电动机对汽车空调风机进行调速，虽然异步电动机具有结构简单、坚固耐用、维护工作量小、运行效率高等许多优点，但因其功率因数低、控制精度差、制造工艺要求高等诸多因素，也逐渐被近年来随着永磁材料、现代电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机（Brushless Direct Current Motor-BLDCM）调速系统所取代1-7。永磁无刷直流电动机具有体积小、质量轻、效率高、噪声低且可靠性高的特点，因而得到了广泛的应用8-9。在调速系统中
5、,一般都采用PID控制策略，因为PID控制器具有结构简单、稳定性好、稳定精度高等优点，但是常规的PID控制器的设计过分依赖于控制对象，参数鲁棒性较差，且抗负载扰动能力也不太强；而模糊控制器具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，鲁棒性强等优点，它能很好地克服调速系统中模型参数变化及非线性等不确定因素给系统性能带来的不利影响，但是模糊控制器具有一个较大的缺点就是稳态精度低10-15。因此，针对这种情况，本文把两种控制器的优点结合起来，设计一种模糊PID控制器。但是，由于无刷直流电动机调速系统是一个多干扰系统，D环节的加入又减弱了调速系统的抗干扰能力。因此，在BLDCM调速系统中，采用模糊
6、PI控制器来实现系统转速的调节。1 速度控制器的设计16-191.1 确定模糊PI控制器的输入、输出变量及其他相关参数速度环节采用的模糊PI控制器选模糊自调整PI控制器，它的结构图如图1所示，PI参数的校正部分实质上就是一个模糊控制器。图1 模糊自调整PID控制器结构图速度调节器的目的是通过给定转速和BLDCM调速系统输出的实际转速进行比较，通过模糊PI控制器的控制作用，输出一个电流参考信号，再通过电流调节器的调节作用，最后去控制功率开关的导通和截止，最终实现BLDCM调速系统的调速。因此，速度调节器输入量为系统转速的期望值和调速系统的反馈转速，模糊控制器的输入量为转速的偏差和偏差变化率，输出
7、量即为PI参数的修正量，它们的基本论域、语言变量、模糊子集、模糊论域、量化因子和比例因子见表1。表1 速度调节器模糊参数表各语言变量的隶属度函数曲线均采用三角形曲线，这不仅是因为三角形曲线形状简单、计算工作量小、可节约存储空间，也在于当输入量变化时，三角形状的隶属度函数比其他（例如正态分布）的隶属度函数具有更大的灵敏性。根据表1作出的各变量隶属度函数如图2所示。（a）、Vkp隶属度函数 (b)、Vki隶属度函数图2 输入、输出变量的隶属度函数1.2 确定PI参数模糊控制规则确定PI参数的模糊控制规则就是找出在不同时刻PI两个参数与输入和之间的模糊关系。通过在运行中不断检测和，根据模糊控制原理来
8、对两个参数进行在线调整，以满足不同和对控制参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态和静态性能。下面根据一般系统的阶跃响应曲线（如图3所示），进一步分析在不同的输入和时，对参数、的要求。图3 一般系统的阶跃响应曲线（其中表示系统响应的稳态值）AB段（）：系统呈现向稳态变化的趋势，所以在开始时取较大的以加快系统的响应速度，取较小的，当快接近B点时，为了防止超调，应减小，甚至取消积分作用，抑制超调；BC段（）：系统输出值已超过稳态值，继续向偏差增大的方向变化。在此阶段，控制作用应尽力压低超调， 和取较小值；CD段（）：系统输出趋向稳态值的速度越快越好，即应尽快消除偏差使系统进入稳态，在C点时应取较
9、大的，当快要接近D点时，为了减小超调，适当减小积分作用，以避免积分超调及随之而来的振荡，有利于控制；DE段（）：系统出现下超调，偏差向增大的方向变化，当接近E点时，增大与；EF段（）：系统呈现向稳态变化的趋势，偏差向减小的方向变化，当接近F点时，为了减小超调，应减小和。根据上述在不同输入下对PI两个参数的要求，可以给出两个参数的模糊控制规则见表2和表3。表2 KP的模糊规则 表3 KI的模糊规则 1.3 模糊推理及解模糊化根据前面所得到的模糊规则，可以通过输入的速度偏差和偏差变化率经过推理可以得出响应的输出。首先求出输出变量的隶属度，例如：对应于KP的第一条模糊规则的隶属度为 其中运算符“”表
10、示取小运算，即 依此类推，就可以求出输出量VKp在不同偏差和偏差变化率下的所有模糊规则调整的隶属度。在某一采样时刻，根据偏差和偏差变化率的测量值，采用重心法（也即为加权平均法）就可以求出VKP的值为 式中，（）由当前偏差和偏差变化率的测量值经量化后的和对应的隶属度求得的对应于表2中各种组合的VKP的隶属度。同理，也可以求出VKI的值，根据这些值，通过与它们对应的比例因子相乘，就可以得到模糊控制器的输出Vkp、Vki（它们即为PI控制器两个参数的修正量），把它们分别与PI控制器的两个初始参数、相加，即 上面所得两个参数即为模糊PI控制器的输出、，由它们进一步去控制下一个环节。1.4 速度模糊PI
11、控制器仿真模型的建立1.4.1 利用模糊逻辑工具箱构成模糊推理系统（FIS）在MATLAB命令行输入： fuzzy打开FIS编辑器，采用Mamdani型系统。设置相关的参数，建立的初步模糊推理系统的GUI(图形用户界面)及输入、输出变量的隶属度函数图，在此从略。最后得到的模糊规则浏览器界面如图4所示。图4 模糊规则浏览器界面1.4.2 SIMULINK下速度模糊PI控制器仿真模型的构建 根据上面构造的模糊推理系统（FIS），就可以构造出一个模糊逻辑控制器，同时根据模糊自调整PI控制器结构图就可以构建以下的速度模糊PI控制器仿真模型，如图5所示。图5 速度模糊PI控制器仿真模型1.5 速度环仿真
12、模型的构建根据转子的位置和感应电动势和相电流波形，可以编写三相电流系数的S函数bldcia、bldcib、bldcic，把它们分别与速度模糊PI控制器输出的电流幅值相乘，即得到速度环的输出，它们即为电流调节器各相电流的参考输入值，速度环的仿真模型如图6所示。图6 速度环仿真模型2 电流模糊控制器的设计电流模糊控制器的输入为电流参考值和反馈值的偏差以及偏差的变化率，输出即为PI控制器两个参数和的修正值和。它们所采用的基本论域、语言变量、模糊子集、模糊论域、量化因子和比例因子如表4所示。表4 电流调节器模糊参数表电流模糊控制器所采用的模糊控制规则及隶属函数分别与速度模糊控制器相同，模糊推理和反模糊
13、化方法也与速度控制器相同，在此不再赘述。把电流模糊控制器输出的P、I参数修正量、分别与P、I参数初始值、相加，即此即为电流模糊PI控制器输出的两个参数、，由这两个参数去继续控制电流环的下一个环节。其隶属函数、模糊控制规则的编辑与速度模糊控制器类同。由电流模糊推理系统可以构建一个电流模糊逻辑控制器模块，把这个模块与SIMULINK中的其他相关模块连接起来，就可以构成一个电流模糊PI控制器的仿真模型，见图7。图7 电流模糊PI控制器仿真模型将A、B、C三相电流模糊PI控制器的输出与各相的参考电流值，分别作为S函数pwmsfun的输入，通过S函数的作用，产生控制逆变器的六相脉冲，其仿真模型如图81（
14、以A相为例）所示，pwmsfun的编写从略。图8 脉冲发生器仿真模块3 系统总体仿真模型为了验证所设计的控制器的准确性,可以设计出整个汽车空调风机无刷直流电动机调速系统的仿真模型如图9所示。图9 汽车空调风机无刷直流调速系统仿真图该仿真模型由电机本体、电源和逆变器、速度调节器、电流调节器和示波器等几个部分组成，各个部分中又含有相应的子系统。为了提高系统的调速性能，整个系统采用双闭环控制，其中电流环为内环，速度环为外环，电流环和速度环所采用的控制策略就是上面所介绍的模糊PI控制策略。 4 仿真结果及其讨论4.1 仿真参数额定输出功率：PN=116W额定电压：UN=24V(DC)额定电流:IN=5
15、.6A，极对数：电势常数：Ke=0.01V/(r/min)电机电枢电阻:每套绕组的电感：(LM)=12.510-3H转动惯量：J=1010-3kgm2给定转速：n=1000 r/min4.2 仿真结果分析及比较4.2.1 转速电流环和速度环分别采用模糊PI控制策略，且速度环的PI参数选为，电流环PI参数选，其他参数如量化因子、比例因子等的取值见表1；电流环模糊PI参数的初值即选为双PI调节器电流环相应的参数，其他参数的取值见表4，在时突加负载的速度波形如图10所示。图10 双模糊PI调节的无刷直流调速系统转速波形从图可知，双模糊PI调节器对转速的调节稳态精度高，当出现扰动时，能更快的恢复到稳定
16、状态，具有更高的抗干扰能力。4.2.2 转矩比较图11是无刷直流调速系统采用双PI调节器时的转矩波形，图12是调速系统采用双模糊PI调节器时的转矩波形。从两图的比较可知，两图中都出现一定程度的转矩脉动，这是由于电流换向引起的，但是图12中的转矩脉动明显小于图11，而且在未进行换向时，转矩的波动也更小，这是因为在双模糊PI调节的调速系统中，调节器的PI参数是根据电流偏差和偏差变化率的大小自动进行在线修正的，使电机的电流能够更快的跟踪给定电流的变化，从而使转矩的波动减小。另外图中出现的刚开始时刻转矩幅值较大的情况，是由于电机启动的原因造成的，这些在双PI调节和双模糊PI调节中不存在较大的差别。 图
17、11 双PI调节的无刷直流调速系统转矩波形图12 双模糊PI调节的无刷直流调速系统转矩波形4.2.3 电流比较双PI调节的调速系统三相电流仿真波形分别如图13a、b、c所示。(a) A相电流波形(b) B相电流波形(c) C相电流波形图13 双PI调节的无刷直流调速系统电流仿真波形图14a、b、c是双模糊PI调节的调速系统电流仿真波形图。(a) A相电流波形(b) B相电流波形(c) C相电流波形图14 双模糊PI调节的无刷直流调速系统电流仿真波形从以上电流波形的对比中可看出，双模糊PI调节的无刷直流调速系统的电流波动明显小于双PI调节的调速系统；在电流换向时刻，电流脉动后者也比前者小得多，系
18、统的稳定性更好。5 结论通过对转速、转矩和电流波形的对比，可以得出双模糊PI调节的无刷直流调速系统的性能无论从稳定性、抗干扰性能还是从减小转矩方面都优于双PI调节的无刷直流调速系统。模糊PI控制是一种比较优良的控制方法，它具有更高的稳态精度和更小的控制误差，值得推广应用。参 考 文 献1 樊贵勇，马锦珍.YDWF型外旋转子变极多速三相异步电动机设计及其在空调风机中的应用J.中小型电机,1995，22（5）：12-15.2 Don Alfano, Jim Judkins.Intelligent Thermal Management Using Brushless DC Fans Implemen
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